采用動作捕捉與JACK軟件的坐姿評價方法研究

張文彥，陶 慶，李兆波，康金勝

（1.新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047；2.英國布魯內(nèi)爾大學工程設(shè)計與物理科學學院，英國 倫敦 UB8 3PH）

1 引言

在人椅交互中，不健康的坐姿會增加患各種肌肉骨骼疾病的風險，嚴重危害人體健康[1]。2011 年，《生活》雜志調(diào)查結(jié)果顯示長期靜坐不動在“十大不健康生活方式”中排名第三；2018 年中國標準化研究院調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有辦公椅不能完全滿足舒適度需求。

為提高辦公座椅的舒適性，眾多研究人員展開相關(guān)研究，比如文獻[2]建立了一種研究人體座椅系統(tǒng)靜態(tài)平衡位置的模型，并采用Matlab求解并用Working Model 2D進行舒適度分析與驗證，發(fā)現(xiàn)影響就坐舒適體驗的因素是多方面的。因此，研究坐姿舒適度在幫助人們養(yǎng)成健康坐姿習慣及座椅優(yōu)化設(shè)計方面非常重要。

2 研究方法

坐姿舒適度評價方法主要為主觀評價與客觀評價。目前，客觀評價主要有以下三種思路：

（1）通過體壓分布[3]實驗獲得人機接口壓力指數(shù)分析舒適度。文獻[4]將體壓分布測試和主觀評價相結(jié)合研究了貴妃椅靠背舒適性，該方法考慮了主觀評價與客觀評價，實驗所得到的壓力指數(shù)較直觀，但指數(shù)單一，僅用人機交互過程中的壓力指數(shù)來評價舒適度不能全面說明問題。

（2）通過肌電信號[5]實驗提取肌肉疲勞特征評價舒適度。利用腰背部肌肉壓力[6]或?qū)嶒灉y得的肌肉硬度數(shù)據(jù)歸一化處理得出肌肉舒適指數(shù)[7]可對不同坐姿舒適度進行評價，但人體肌肉參數(shù)易受環(huán)境影響，僅從肌肉參數(shù)評價坐姿舒適度比較片面。

（3）通過實驗或運動仿真獲取關(guān)節(jié)角度與力矩[8]變化分析舒適度。文獻[9]研究了人-椅系統(tǒng)中腰部支撐在不同動作中的變化，將得到的角度參數(shù)進行對比評價；文獻[10]通過測試駕駛員疲勞駕駛的不舒適度得到力矩對坐姿疲勞進行了分析；以上方法有很好的研究前景，但對人體數(shù)據(jù)挖掘深度不夠，僅用關(guān)節(jié)角度或關(guān)節(jié)力矩來分析坐姿舒適度是比較片面的。

總體來說，現(xiàn)有的坐姿舒適度評價方法或模型大多比較單一，缺乏對問題的多方面分析。為了盡可能得到可靠結(jié)果，在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，提出一種采用人體動作捕捉技術(shù)與JACK軟件仿真結(jié)合的坐姿舒適度評價方法，并利用該方法對坐在座椅前后端的舒適度進行分析與評價，研究方法，如圖1所示。

圖1 坐姿舒適度評價方法流程圖Fig.1 Flow Chart of Evaluation Method for Sitting Posture Comfort

3 人體動作捕捉實驗

采用Motion Analysis 光學動作捕捉系統(tǒng)，設(shè)置數(shù)據(jù)捕捉鏡頭，采用EVART 軟件捕獲人體在執(zhí)行動作時的標記點空間三維數(shù)據(jù)。

3.1 實驗對象

選取22名（男女各11人）年齡相近且身心健康的大學生作為此次研究實驗的受試者，平均年齡（23.7±1.1）歲，平均體重（61.1±6.7）kg，平均身高（168±2.9）mm，平均膝蓋高（42.7±1.7）mm。實驗前確保受試者在48h內(nèi)沒有劇烈運動，沒有任何肌肉損傷。

3.2 實驗內(nèi)容

在實驗場景中，受試者分別坐在提供的日常辦公座椅（座椅沒有扶手結(jié)構(gòu)，座面高度可調(diào)節(jié)）的前端與后端，雙腳著地坐在座椅上，身體保持T型姿態(tài)，先向左側(cè)扭轉(zhuǎn)再向右側(cè)扭轉(zhuǎn)，最后回到初始姿勢，如圖2所示。

圖2 實驗動作Fig.2 Experimental Action

在運動研究中，為準確記錄整個三維空間中的高度數(shù)據(jù)，將參考標記放置在實驗辦公座椅樣本坐墊的底部。為了更準確的捕捉到人體關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，定義了31個人體主要關(guān)節(jié)點并粘貼反光球，如圖3所示。

圖3 人體標記點位置Fig.3 Human Marker Position

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 MATLAB軟件數(shù)據(jù)處理

4.1.1 關(guān)節(jié)角度定義

參照文獻[11]提出的角度約定定義人體坐姿關(guān)節(jié)角度，如圖4所示。其中，頸部、膝蓋和腳踝的角度信息對坐姿下舒適度結(jié)果影響不大，在實際求解中不考慮其影響。

圖4 人體坐姿關(guān)節(jié)角度定義Fig.4 Sitting Posture Joint Angle Definition

4.1.2 關(guān)節(jié)角度計算

人體每個點的空間位姿坐標不同，但每3個或4個空間點可形成一個角度，通過余弦定理可得到該角度的值。如果是4個點的情況，可以在某個平面內(nèi)將其中兩點看成一點，再進行計算。

根據(jù)上述基本定義，用MATLAB軟件編程計算受試者在完成實驗動作時大腿、肩膀及軀干的角度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)情況，如表1所示。

表1 座椅前后端完成實驗動作的部分關(guān)節(jié)角度（°）Tab.1 Partial Joint Angles to Perform Experimental Actions in Front and Back of Seat（°）

4.1.3 關(guān)節(jié)力矩度計算

要計算關(guān)節(jié)力矩，首要任務就是確定系統(tǒng)的重心。在坐姿狀態(tài)下，腿的重心分別在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)以及腳部，用W表示，如圖5所示。利用式（1）和式（2）即可求出各部位的重心；再結(jié)合力矩式（3）在MATLAB中計算關(guān)節(jié)力矩。受試者坐在座椅前后端完成實驗動作時的力矩，如表2所示。

表2 座椅前后端完成實驗動作的部分關(guān)節(jié)力矩（N·m）Tab.2 Partial Joint Moments to Perform Experimental Actions in Front and Back of Seat（N·m）

圖5 坐姿下腿的重心Fig.5 Center of Gravity of Legs in a Sitting Position

4.2 JACK軟件數(shù)據(jù)處理

4.2.1 關(guān)節(jié)角度定義

JACK軟件中的角度定義，如圖6所示。主要對軀干側(cè)向屈伸、軀干旋轉(zhuǎn)、肩部旋轉(zhuǎn)與大腿旋轉(zhuǎn)角度進行了定義。

圖6 人體關(guān)節(jié)角度Fig.6 Human Joint Angle Definition

4.2.2 EVART軟件與JACK軟件對接

對EVART軟件模塊進行初始化，將JACK軟件與EVART軟件進行連接。設(shè)備成功連接后，在EVART中播放虛擬人體動作，在JACK軟件中會出現(xiàn)相應的動作回放，如圖7所示。

圖7 EVART軟件與JACK軟件對接Fig.7 Docking of EVART and JACK

4.2.3 JACK軟件的數(shù)據(jù)提取

驅(qū)動人體模型，根據(jù)時間點的移動將人體模型確定到一定姿勢狀態(tài)，利用Task Analysis Toolkit工具包對其關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩及關(guān)節(jié)平均強度進行分析計算。

JACK軟件運動仿真得到的受試者坐在座椅后端完成實驗動作的關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)平均強度對比圖，如圖8所示。其中，虛線代表坐在座椅前端得到的數(shù)據(jù)；實線代表坐在座椅后端得到的數(shù)據(jù)。

圖8 關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)平均強度對比圖Fig.8 Joint Angle，Joint Torque and Mean Strengths Comparison Chart

4.3 數(shù)據(jù)分析

4.3.1 MATLAB編程數(shù)據(jù)分析

通過受試者坐在座椅前后端各部位關(guān)節(jié)角度與關(guān)節(jié)力矩對比分析發(fā)現(xiàn)，坐在座椅后端的大腿左側(cè)角度變化幅度約為坐在前端的80.6%，坐在后端的平均角度值高于前端，力矩變化差別不大；坐在座椅后端的大腿右側(cè)角度變化幅度與坐在前端差別不大。

但坐在后端的力矩變化幅度約為前端的56.4%，坐在前端的力矩平均值絕對值是坐在前端的1.55倍；坐在座椅后端的肩膀左側(cè)角度變化幅度約為坐在前端的92.2%，力矩數(shù)據(jù)變化一致；坐在座椅后端時肩膀右側(cè)角度變化幅度約為坐在前端的107.4%，坐在座椅后端的平均角度值小于前端，力矩變化不大；坐在座椅后端的軀干旋轉(zhuǎn)角度變化幅度約為坐在前端的94%，坐在座椅后端的平均角度值與前端差別不大，坐在后端的力矩變化幅度是前端約為前端的50.8%，坐在前端的力矩平均值的絕對值遠是坐在后端的1.58倍。

總體來說，坐在座椅后端時的大腿活動度范圍較小，且大腿、肩膀、軀干的關(guān)節(jié)力矩平均值均小于等于坐在前端的情況；其中，坐在座椅后端時軀干角度范圍較大，坐在座椅前后端時肩膀左側(cè)與右側(cè)的角度變化范圍差異較大，分析是因為受試者坐在座椅后端完成左側(cè)扭轉(zhuǎn)過程中，通過調(diào)節(jié)更大的軀干活動來調(diào)整重心位置使自己保持身體穩(wěn)定，從而導致右側(cè)肩膀伴隨一定的角度變化。

4.3.2 JACK軟件數(shù)據(jù)分析

在JACK軟件仿真數(shù)據(jù)中，坐在座椅前后端情況下各部位的關(guān)節(jié)角度差異相對較小，但軀干旋轉(zhuǎn)與大腿右側(cè)旋轉(zhuǎn)時，坐在前端的關(guān)節(jié)力矩明顯高于坐在后端；同時，從關(guān)節(jié)平均強度對比圖中可以發(fā)現(xiàn)，坐在座椅前端時肩部右側(cè)、肩部左側(cè)、大腿旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)平均強度總是大于坐在座椅后端。

其中，坐在座椅前端與后端時軀干旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)平均強度差異不大，而軀干屈伸在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了較大差異，分析發(fā)現(xiàn)受試者坐在座椅后端進行試驗動作時，在接近左側(cè)扭轉(zhuǎn)極限范圍內(nèi)，主要是通過較大幅度調(diào)節(jié)軀干活動對重心位置進行調(diào)整來使自己保持身體穩(wěn)定，從而導致坐在座椅后端向左側(cè)扭轉(zhuǎn)過程中軀干側(cè)向屈伸與軀干旋轉(zhuǎn)角度比坐在前端稍大的情況，并伴隨著右側(cè)肩膀活動范圍的增加，同時軀干側(cè)向屈伸關(guān)節(jié)平均強度出現(xiàn)較大情況，但這一差異對肩部活動但對坐姿舒適度整體評價影響不大。

MATLAB數(shù)據(jù)處理得到坐在座椅前后端的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)差異明顯，但在JACK 軟件中角度差異不明顯，分析原因，發(fā)現(xiàn)EVERT捕捉實驗中自定義標記與JACK軟件中的自帶標記略有差異，動作捕捉實驗中采用了自定義31標記點，而JACK軟件自動生成41標記點，計算時所選取的標記點有所不同回導致角度數(shù)據(jù)出現(xiàn)差異。兩種方法在大腿右側(cè)力矩、軀干力矩方面都呈現(xiàn)了較大的差異，結(jié)果具有一致性。

5 結(jié)論

研究結(jié)果表明，坐在座椅后端完成日常動作的優(yōu)勢顯而易見，更符合人體舒適度的要求。在MATLAB計算結(jié)果中，顯示坐在座椅后端時的大腿活動度范圍較小，且大腿、肩膀、軀干的關(guān)節(jié)力矩平均值均小于等于坐在前端的情況，表明坐在座椅后端完成日常動作更為有效；JACK軟件運動仿真結(jié)果顯示，坐在座椅后端時，各關(guān)節(jié)力矩整體情況均小于坐在座椅前端，特別是大腿和軀干表現(xiàn)較為明顯；各部位旋轉(zhuǎn)時承受的關(guān)節(jié)平均強度小于坐在座椅前端，表明坐在座椅后端完成日常動作更有優(yōu)勢；通過人體動作實驗進行MATLAB計算得與JACK軟件運動仿真得到的結(jié)果具有一致性，提高了坐姿舒適度結(jié)論的可靠度，驗證了文章中坐姿舒適度評價方法的可行性。研究結(jié)果在幫助人們養(yǎng)成健康坐姿方面提供了理論支撐，為研究坐姿舒適度評價與座椅的優(yōu)化設(shè)計提供了重要參考。

同時，在今后在座椅舒適度研究方面，要多方面考慮其舒適度影響因素，將角度與力矩的研究作為基礎(chǔ)研究，應該考慮人椅交互過程中的人機交互壓力指數(shù)與肌肉活動特征，使人們提高改善不健康坐姿的意識；在座椅模型設(shè)計方面，應針對不同的使用人群及其所面對的作業(yè)要求，率先獲取人的三維尺寸，進行三維人機交互仿真，預測人機接口壓力指數(shù)范圍，研究肌肉活動舒適指數(shù)，使設(shè)計的座椅更加符合使用的作業(yè)環(huán)境需求。